JP4528965B2 - 電界放出型光源 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光膜に電子放射して発光する電界放出型光源に関する。

この種の電界放出型光源においては、蛍光膜付きの平面状のアノードと、このアノードのアノード面全体に電子を放出するカソードとを対向配置し、これらの間にカソードから電子を引き出しこの引き出した電子を多数設けた電子通過孔からアノードに向かわせるグリッドを介装し、グリッドを通過した電子を蛍光膜に衝突させて該蛍光膜を励起発光させるものがある（特許文献１等参照。）。しかしながら、このような電界放出型光源では、カソードから放出される電子密度が蛍光膜の蛍光膜面全体で不均一な箇所がある場合、蛍光膜の全蛍光膜面の均一な輝度での発光はできない。
特開平０５−２５１０２１号公報

本発明は、蛍光膜面のほぼ全領域にかけて衝突する電子の密度を均一にして発光面全体の発光輝度を均一可能にすることである。

本発明による電界放出型光源は、蛍光膜付きのアノードと、このアノードに対向配置された電界放射型のカソードと、アノードとカソードとの間に介装されたグリッドと、を備えた電界放出型光源において、上記アノード、カソード、グリッドそれぞれの全領域を複数のアノード領域、カソード領域、グリッド領域に分割するとともに各グリッド領域に半導電性薄膜をチャージアップ部材として設け、上記カソードは、複数のグリッド領域にまたがる長さの導線と、該導線の表面に多数の微細突部を有する炭素薄膜を設けて構成されており、各グリッド領域のチャージアップ部材は対応するカソード領域からの電子放出量に対して相対的にチャージアップしてグリッド領域からの電子通過量を制御して、各グリッド領域からそれに対応する各アノード領域への電子密度をほぼ同等化して蛍光膜がその全体から均一化した発光輝度で発光することを可能としたことを特徴とするものである。

本発明の電界放出型光源によると、カソードから放出した電子の密度がグリッドのグリッド面の各領域で不均一である場合、その領域に対応したチャージアップ部材にはその不均一に対応した帯電量で電子の負電荷がチャージアップし、グリッドの各電子通過孔それぞれを通過する電子の密度は均一化され、これによってアノードに向かう電子はアノード面全領域にわたり同等の密度分布とすることができ、蛍光膜はその膜全体にわたり均一な輝度で発光することができる。

本発明によれば、蛍光膜面のほぼ全領域にかけて衝突する電子の密度を均一にして発光面の発光輝度を均一にすることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電界放出型光源（本光源と称する）を説明する。この光源は例えば液晶表示装置の直下形バックライトとして用いることができる。図１は、本光源の断面構成を示す断面図である。同図において、本光源は内部が所定の真空圧とされた真空容器１０を有する。この真空容器１０の形状はバックライトを始めとして光源の用途に応じて様々な形態をとることができる。この実施形態では説明の都合でフラット形としている。真空容器１０は前面パネル１０ａ、背面パネル１０ｂ、スペーサパネル１０ｃからなり、前面パネル１０ａはガラス基板、石英やサファイヤ等からなり光源光を外部に照射することができるようになっている。この前面パネル１０ａの内面には平面形状のアノード１２がＩＴＯ（酸化インジウム・錫）やアルミニウム等の金属をスパッタリングやＥＢ蒸着等により薄膜状にして形成されている。アノード１２の膜厚は用いる金属材料の抵抗率等により適宜に設定される。アノードの材料は、蛍光発光を直接見るタイプ（直視タイプ）ではＩＴＯ、アルミニウムのいずれでもよいが、アノードを介して蛍光発光を見る透過タイプではＩＴＯを用いることが好ましい。直視タイプでは、特に材料の限定はないが、例えば、上記酸化インジウム・錫の他に酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛、カルコゲン化亜鉛、窒化ガリウム、窒化インジウム、ＣｄＴｅなどの無機材料を挙げることができる。ただし、電子速度が高速の場合はアルミニウムを電子が透過できるので、透過タイプでもＩＴＯ、アルミニウムのいずれでもよい。アノードの電気抵抗率は、１０⁴オームｃｍ以下であればよく、極端に低抵抗である必要はない。

アノード１２にスラリー塗布法、スクリーン印刷、電気永動法、沈降法等により塗布することにより蛍光膜１４が形成されている。蛍光膜１４の材料は公知の材料（蛍光材料）を用いることができる。蛍光膜１４の厚さは、蛍光材料の粒径の１−５倍程度に設定される。蛍光膜１４は電子線励起により高効率で発光することができることが好ましい。蛍光材料は、導電性材料と反応しにくい材料が好ましい。例えば、希土類酸化物蛍光材料がある。蛍光膜１４を構成する蛍光粒子の平均粒径は、蛍光面に凹凸が少なく発光むらが生じにくく、発光効率の向上に貢献することができる値が好ましい。

カソード１６は、アノード電圧３−１５ｋＶ程度の印加によりアノード１２との間で発生する電界によりアノード１２の平面領域全体をカバーするよう電子を放出する電界放射型のカソードである。カソード１６は、１つ導線１６ａと、この導線１６ａの表面に形成された多数のナノチューブ状あるいはナノウォール状の微細突起を有する炭素薄膜１６ｂとにより形成されている。カソード１６は、図１に示すようにアノード１２やグリッド１８の平面領域において図１の左右方向に沿ってワイヤ状に配置されている。この場合、カソード１６は１つの導線をアノード１２やグリッド１８の平面領域全体をカバーするよう蛇行屈曲させた構成でもよいし、複数の導線を拠り合わせてアノード１２やグリッド１８の平面領域全体をカバーする構成でもよい。導線１６ａはニッケルやその合金等がある。炭素薄膜１６ｂは、ナノチューブ状やナノウォール状の微細突起を有する。ナノウォール状の炭素薄膜は、プラズマＣＶＤ法により、例えば、電子サイクロトロン共鳴法（ＥＣＲ−ＰＣＶＤ法）により形成することができる。実施の形態ではカソード１６は、導線１６ａの周囲に微細突起を多数有する炭素薄膜１６ｂを形成したものであり、かつ、導線１６ａの表面が電界集中をより発生しやすくする表面粗さに積極的に設定されており、この表面粗さの凹凸１６ｃは炭素薄膜１６ｂだけの微細突部にさらに全体の凹凸１６ｄを形成しており微細突部での電界集中を助長する電界集中補助部として作用する。この表面粗さは微視的であるが、可視的な凹凸でもよい。例えば、複数の導線を撚り合わせてなる凹凸や、導線表面をねじ切り加工する凹凸でもよい。

グリッド１８は、アノード１２とカソード１６との間に介装された平面形状をなし、カソード１６に対して正の電圧が印加されてカソード１６から電子を引き出すものであり、電子が通過する電子通過孔１８ａを多数備えている。グリッド１８の材料は公知の金属であり、その金属から適宜に設定することができる。

以上の構成を備えた本光源においては、グリッド１８においてカソード１６と対向する平面領域のほぼ全体にチャージアップ部材としての半導電性薄膜２０を設けたことを特徴とするものである。半導電性薄膜２０は、半導電性ポリエステル不織布、半導電性ガラスクロス、シリコンポリマに炭素を添加したもの、あるいは、炭素不織布、炭素織布、等があり、より詳しくは、シリコン、ゲルマニウム等の４族半導体、ガリウム砒素等の化合物半導体、酸化錫等の酸化物半導体、あるいはこれら各半導体に微量の不純物を加えた不純物半導体をアモルファス状態、多結晶状態、あいるは単結晶状態に成膜した薄膜でよく、これらを真空蒸着法、スパッタリング法、化学的気相堆積法等の真空成膜法、有機溶液あるいは分散溶液をディッピングあるいはスピナーを用いて塗布焼成することにより形成することができる。半導電性薄膜２０の具体的な種類としては、ＳｎＯ₂、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃等の酸化物半導体、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｉｒ等の金属材料、これらの化合物で構成することができる。

半導電性薄膜２０の表面抵抗値は、１０⁵−１０⁷（Ω／□）以下程度が好ましい。半導電性薄膜２０は、不織布、織布であれば、そのメッシュの程度によりグリッドの電子通過孔を含め、グリッド全面に設けることができる。半導電性薄膜２０は、グリッドの電子通過孔を除くグリッド全面に設けることができる。半導電性薄膜は、導電性と絶縁性とを有するので、チャージアップすると、所定時間チャージアップ状態を維持し、徐々に放電することができる。所定時間チャージアップ状態することができるので、カソード側からの電子をその単位面積当たりを通過する電子量（電子密度）に応じてチャージアップし、そのチャージアップ程度に応じて徐々に放電することができる。

図２および図３を参照して以上の構成を備えた本光源において、カソード１６から放出した電子の軌道について説明する。なお、実施の形態ではカソード１６を複数のカソード領域Ａ，Ｂ，Ｃ、これらにそれぞれ対応してグリッド１８をグリッド領域Ａ´，Ｂ´，Ｃ´（半導電性薄膜２０もこのグリッド領域に対応した領域構成になっている）、これらにそれぞれ対応してアノード１２をアノード領域Ａ´´，Ｂ´´，Ｃ´´、に分割している。図２では、カソード１６の各カソード領域Ａ，Ｂ，Ｃが同図に示す配置方向の各部で等量の電子をグリッド１８の各グリッド領域Ａ´，Ｂ´，Ｃ´に引き出されており、半導電性薄膜２０それぞれの電子通過孔２０ａおよび各グリッド領域Ａ´，Ｂ´，Ｃ´それぞれの電子通過孔１８ａを通過してアノード１２の各アノード領域Ａ´´，Ｂ´´，Ｃ´´に向けて放出する様子が示されている。図３（ａ）の矢印は電子軌道を示し、矢印の左右間隔は電子密度を示している。矢印の間隔が狭いときは電子密度が高く、矢印の間隔が広いときは電子密度が低いことを示す。したがって、図２では、カソード１６の各カソード領域Ａ，Ｂ，Ｃ全体において電子の放出密度が同等であり、グリッド１８の各グリッド領域Ａ´，Ｂ´，Ｃ´それぞれの電子通過孔１８ａを通過する電子量も同等である。これに対して図３では、カソード１６の各カソード領域からの放出電子密度が相違している。カソード領域Ａでは放出電子密度が高く、カソード領域Ｂでは放出電子密度が低く、カソード領域Ｃでは放出電子密度が高い。半導電性薄膜２０は、各カソード領域Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれの放出電子密度に対応してチャージアップ（負に帯電）しており、カソード領域Ａに対向するグリッド領域Ａ´に対応する半導電性薄膜２０のチャージアップ量は多く、カソード領域Ｂに対向するグリッド領域Ｂ´に対応する半導電性薄膜２０でのチャージアップ量は少なく、カソード領域Ｃに対向するグリッド領域Ｃ´に対応する半導電性薄膜２０でのチャージアップ量は多くなっている。そのため、カソード領域Ａ、Ｃから放出した電子の一部はグリッド領域Ａ´，Ｃ´ではなく、隣接のグリッド領域Ｂ´に軌道を曲げられる。その結果、半導電性薄膜２０とグリッド領域Ａ´、Ｃ´それぞれの電子通過孔２０ａ，１８ａを通過する電子の量は減少し、半導電性薄膜２０とグリッド領域Ｂ´それぞれの電子通過孔２０ａ，１８ａを通過する電子の量は増大する。以上の結果、グリッド領域Ａ´、Ｂ´、Ｃ´それぞれの電子通過孔１８ａを通過する電子の量は等量となり、アノード１２においてこれらグリッド領域Ａ´，Ｂ´，Ｃ´それぞれに対応する各アノード領域Ａ´´，Ｂ´´，Ｃ´´に加速衝突する電子量は等量化され、蛍光膜の発光輝度は均一となる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

本発明の実施の形態に係る光源の断面図である。 実施の形態において各カソード領域それぞれからの電子放出密度が等しい場合の説明図である。 実施の形態において各カソード領域それぞれからの電子放出密度が相違する場合の説明図である。

符号の説明

１２ アノード
１４ 蛍光膜
１６ カソード
１８ グリッド
２０ 半導電性薄膜

Claims (1)

1. 蛍光膜付きのアノードと、このアノードに対向配置された電界放射型のカソードと、アノードとカソードとの間に介装されたグリッドと、を備えた電界放出型光源において、
   上記アノード、カソード、グリッドそれぞれの全領域を複数のアノード領域、カソード領域、グリッド領域に分割するとともに各グリッド領域に半導電性薄膜をチャージアップ部材として設け、
   上記カソードは、複数のグリッド領域にまたがる長さの導線と、該導線の表面に多数の微細突部を有する炭素薄膜を設けて構成されており、
   各グリッド領域のチャージアップ部材は対応するカソード領域からの電子放出量に対して相対的にチャージアップしてグリッド領域からの電子通過量を制御して、各グリッド領域からそれに対応する各アノード領域への電子密度をほぼ同等化して蛍光膜がその全体から均一化した発光輝度で発光することを可能とした、ことを特徴とする電界放出型光源。

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